Neuer elektrooptischer Laser emittiert 30 Milliarden Impulse pro Sekunde

• Neuer elektrooptischer Laser ist 100-mal schneller als herkömmliches ultraschnelles Laserlicht.
• Das System ist zuverlässig und erzeugt genaue und stabile Pulse bei 30 GHz.
• Es kann in der biologischen/chemischen Bildgebung verwendet werden und um schnellere Kommunikationsnetzwerke zu implementieren.

Ultraschnelle Laser erzeugen eine Reihe von Lichtpulsen, die bis zu Femtosekunden dauern. Sie können als Frequenzkämme fungieren, um eine Frequenz- und Zeitreferenz bereitzustellen, die die Mikrowellen- und optischen Domänen des elektromagnetischen Spektrums überbrückt.

Da die Phase dieser Pulse gesteuert werden kann, hat sie eine Vielzahl von Anwendungen, die von der Steuerung von Quantenzuständen der Materie bis hin zu optischen Atomuhren reichen. Obwohl sich die Fähigkeiten von Ultrakurzpulslasern im Laufe der Jahre verbessert haben, benötigen sie eine integrale Stabilität des modengekoppelten Resonators.

Jetzt haben Forscher des National Institute of Standards and Technology einen alternativen Ansatz entwickelt, der eine Reihe optischer Pulse ohne Modenkopplung erzeugt. Sie nennen es elektrooptischen Laser, der 100-mal schneller als herkömmliche Ultrakurzpulslaser emittiert. Im Grunde ist es die elektrooptische Modulation eines Lasers, der mit üblicher Elektronik entwickelt wurde.

Wie unterscheidet es sich von ultraschnellen Lasern?

Obwohl die Idee, eine Elektrooptik zu bauen, recht einfach ist und die Technologie seit fast 50 Jahren existiert, konnten Wissenschaftler das Licht nicht so umschalten, dass es ultraschnelle Impulse aussendet und gleichzeitig elektronische Störungen eliminiert.

Üblicherweise beinhaltet das Modenkopplungsverfahren das Hin- und Herprallen von Licht in einem Spiegelhohlraum auf eine solche Weise, dass Wellen konstruktiv miteinander interferieren, um kurze Pulse zu erzeugen. Die neue Technik arbeitet jedoch nach einem Brute-Force-Mechanismus:Sie zerlegt einen kontinuierlichen Laserstrahl in einzelne Pulse, wodurch die wärmeinduzierte Interferenz reduziert wird.

Wenn die Signale innerhalb des Hohlraums hin und her prallen, erscheinen feste Wellen bei den höchsten Frequenzen und blockieren alle anderen Frequenzen. Die Signalstabilisierung und -filterung erfolgt in diesem Hohlraum.

Genauer gesagt verwendeten sie einen Infrarotlaser (der eine kontinuierliche Welle emittiert), um Pulse mit einem Oszillator zu erzeugen, der durch einen angepassten Hohlraum stabilisiert wurde. Alle Impulse sind einheitlich und werden durch eine Mikrochip-Wellenleiterstruktur geleitet, um unterschiedliche Farben im Frequenzkamm zu erzeugen.

Referenz:ScienceMag | doi:10.1126/science.aat6451 | NIST 

Als Quelle für das traditionelle ultraschnelle Licht wird ein optischer Frequenzkamm verwendet. Solche Kämme werden mit modengekoppelten Lasern gebaut, die Pulse aus mehreren Lichtwellenfarben erzeugen, die sich überlappen und Verbindungen zwischen Mikrowellen- und optischen Frequenzen bilden. Der elektrooptische Laser hingegen wendet elektronische Schwingungen auf einen Infrarotlaser an und formt so effizient Impulse in das Licht.

Elektrooptischer Laser isoliert Licht bestimmter Frequenzen, um einen Frequenzkamm unterschiedlicher Farben zu bilden | David Carlson/NIST

Modengekoppelte Laser erzeugen alle 10 Nanosekunden Pulse, während elektrooptische Laser nur 100 Pikosekunden benötigen, um einen Puls (100-mal schneller) zu erzeugen.

Anwendungen

Um den elektrooptischen Laser zu konstruieren, entschieden sich die Forscher, nur kommerziell erhältliche Mikrowellen- und Telekommunikationsinstrumente zu verwenden. Dadurch wird das System zuverlässiger. Außerdem sind seine Stabilität und Genauigkeit recht ordentlich, wodurch es sich für schnellere Kommunikationssysteme und Langzeitmessungen optischer Taktnetzwerke eignet.

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Darüber hinaus kann diese Art von Laser in der biologischen und chemischen Bildgebung verwendet werden, um bestimmte Arten der Bildgebung von Geweben/Chemikalien zu beschleunigen. Beispielsweise könnte eine hyperspektrale Bildgebung, die normalerweise eine Minute dauert, in Echtzeit durchgeführt werden.